Chapter 3. Energy

19

3. Energy   3.1. Units  Energy  is  probably  the  physical  quantity  with  the most  diverse  set  of  units  at  our disposal,  allowing us  to quantify  a wide  range of  amounts  from  the  tiny  energy of  a single electron to the amount consumed annually in the world.  Units also tend to differ depending on the context, not being the same for electricity, petroleum, food, thermal engines, and buildings.  Below are the main units in alphabetical order [1]:  1 BOE (barrel‐of‐oil‐equivalent) = 5.80 x 106 BTUs = 6.1179 x 109 J = 1,699 kWh 1 BTU (British Thermal Unit) = 1,055.056 J = 2.92875 x 10‐4 kWh = 251.996 cal 1 cal (calorie) = 0.003968 BTUs = 4.186 J 1 EJ (exa‐joule) = 1018 J = 9.478 x 1014 BTUs 1 erg = 10‐7 J 1 eV (electron‐volt) = 1.60218 x 10‐19 J 1 GJ (giga‐joule) = 109 J = 947,820 BTUs = 277.78 kWh 1Gtoe (giga‐tonne of oil equivalent) = 1,000 Mtoe = 41.868 EJ = 39.68 quads 1 J (joule) = 0.00094782 BTUs = 0.2389 cal 1 kJ (kilo‐joule) = 1,000 J = 0.947813 BTUs = 238.84 cal 1 kcal (kilo‐calorie) = 1 food calorie = 1000 cal = 3.9683 BTUs = 4,186.8 J 1 kWh (kilo‐watt‐hour) = 3,412.1 BTUs = 3.600 MJ = 859.9 kcal 1 lb‐steam (pound of steam) = 970 BTUs 1 MMBTU = 1 MBTU = 106 BTUs = 1.055056 x 109 J = 293.07 kWh 1 MJ (mega‐joule) = 106 J = 947.82 BTUs = 0.27778 kWh 1 Mtoe (million tonne of oil equivalent) = 4.1868 x 1016 J = 1.163 x 107 MWh 1 MWh (mega‐watt‐hour) = 1,000 kWh 1 Q (quad) = 1015 BTUs = 1.055056 EJ 1 Therm = 100,000 BTUs 1 Wh (watt‐hour) = 3.412 BTUs = 3.600 kJ = 859.9 cal  Power, which is energy per time, tends to have some units of its own [2]:  1 hp (horsepower) = 2,542.47 BTUs/hour = 745.70 W 1 W (watt) = 1 J/s = 3.4121 BTUs/hour = 1.341 hp 1 kW (kilo‐watt) = 1,000 W 1 MW (mega‐watt) = 106 W 1 GW (giga‐watt) = 109 W 1 Ton (ton of refrigeration) = 12,000 BTUs/hour = 3,516 W     

Chapter 3. Energy

20

 3.2. Solar energy  The temperature of sun is 5,778 K = 5,505oC.  The  solar  radiation  shining  at  the  top of  the  atmosphere  is  1,367 W/m2  (±3%  as  the earth orbits the sun) [3] and spans a spectrum from about 200 nm (nanometer) to 4,000 nm, with peak around 550 nm, consisting of 10% ultraviolet (UV), 40% visible light, and 50% infrared (IR) [4].  Visible light has wavelengths from 380 (red) to 780 nm (violet) [4].  After  adjustment  for  angle  of  incidence  and  lack  of  radiation  at  night,  the  solar  flux averaged over the earth's surface  is 340 W/m2 of which 48% or 163 W/m2 reaches the earth’s surface [5].  A “peak‐sun” is defined as 1,000 W/m2, which is about what a mid‐latitude location receives at noon when the sky is clear.  The amount of solar energy reaching the earth every hour (628 EJ)  is greater than the amount of energy consumed by the whole human population over an entire year (389 EJ in 2013 [6]).   3.3. Energy generation  From Albert  Einstein, we  know  that mass  can  theoretically  be  converted  into  energy according  to  E  =  mc2.    This  formula  provides  a  theoretical  maximum  for  energy extraction per mass: E/m = c2 = 89.9 x 109 MJ/kg.  Needless to say, fuels used by humans fall far short of this theoretical limit, as the numbers below indicate.  Of the total primary energy supply in the world in 2014, 81% is from carbon‐based fossil sources  divided  in  oil  (31%),  coal  (29%)  and  gas  (21%).   Next  sources  are  biofuels & waste (10.1%), nuclear (4.8%), hydro (2.4%), and other renewables (1.3%) [6].  3.3.1. Solid fuels  The amount of thermal energy released by the combustion of the most common solid fuels is tabulated below.      Energy released by combustion     (MJ/kg)  (BTUs/lb) 

Cardboard    16 – 19  6,900 – 8,200 

Coal 

anthracite   30.1  12,910 

bituminous coal  25.0 – 33.4  10,750 – 14,340 

charcoal  28  12,000 

lignite (“brown coal”)  16.1  6,910 

peat  21  9,000 

Chapter 3. Energy

21

Nuclear 235U in theory1  83,140,000  3.57 x 1010 235U in burner reactor  500,000  2.15 x 108 

Paper  16 – 19  6,900 – 8,200 

Plastics 

polyethylene  45  19,400 

polypropylene  45  19,400 

polystyrene  40  17,200 

PVC (bottles, etc.)  15 – 25  6,500 – 10,700 

Solid waste 

municipal garbage  20  8,600 

animal dung  10  4,300 

dried bagasse  16  6,900 

food scraps  15 – 20  6,500 – 8,600 

rice husks  16  6,900 

shelled corn    392,000 BTUs/bushel2 

Switchgrass  (oven dried)  18.0  7,750 

Wood 

green (50% MC)3  10.0  4,300 

semi‐dried (30% MC)3  14.0  6,020 

air‐dried (20% MC)3  16.0  6,880 

oven dried (0% MC)3  20.0  8,600 

seasoned    20 x 106 BTUs/cord4 

wood pellets  15.8  6,800 

premium wood pellets  19.1  8,200 Sources: [7, 8, 9, 10, 11] 1 The fission of one atom of Uranium‐235 generates 3.24 x 10‐11  J, which amounts to 83.14 TJ/kg. 2 1 bushel = 64 US pints = 35.2 L. 3 MC = Moisture Content, on wet basis. 4 A cord of wood is 8ft x 4ft x 4ft, including spaces between logs.  A typical woodstove is only 65‐75% efficient; a pellet stove is 83% efficient; the rest of the heat goes out the chimney with the smoke. 

 In  the United States  in 2013, 80 waste‐to‐energy plants  incinerated 30 million  tons of municipal  solid  waste  and  generated  14  billion  kWh  of  electricity,  about  the  same amount used by 1.3 million households [12].  3.3.2. Liquid fuels  One barrel of oil, which holds 42 US gallons = 0.159 m3, weighs 136 kg and has an energy content of 5.80 x 106 BTUs = 6.12 GJ [13].   Equivalently, 1 metric ton of crude oil holds 42.65 x 106 BTUs = 45.00 GJ in the form of chemical energy.  Below are the energy contents of the most common liquid fuels.      Energy released by combustion     (MJ/kg)  (MJ/L)  (BTUS/gallon) 

Biodiesel       35.6  128,000 

Crude oil    45  38.4  138,000 

Diesel    50  38.7  139,000 

Ethanol     30  23.6  84,530 

Chapter 3. Energy

22

Fuel oil #2    40  36.7  138,800 

Fuel oil #6    45  41.8  150,000 

Gasoline (“petrol”)  48  34.6  124,000 

Kerosene    44  37.6  135,000 

Liquified natural gas (LNG)  55    23,700 BTUs/lb 

Liquified propane (LPG)  46  25.5  91,330 

Methanol     23  18.2  65,200 Sources: [9, 10, 13, 14, 15] 

 3.3.3. Gaseous fuels  Since gases are compressible, their energy content is best quoted on per‐mass basis.    Energy released by combustion   (MJ/kg)  (BTUs/lb) 

Biogas  45  19,300 

Butane  50.3  21,640 

Hydrogen  142.1  61,084 

Methane  55.4  23,811 

Natural gas  45.4 – 52.3  19,500 – 22,500 

Propane  50.2  21,564 Sources: [9, 16] 

 On  a  volume basis  at  ambient  temperature, natural  gas holds 1,025 BTUs/ft3  (=  38.2 MJ/m3) [10].  This makes 106 ft3 (= 28,320 m3) of natural gas is equivalent to 177 barrels of  crude  oil.    At  standard  compression  for  delivery  trucks,  propane  holds  91,300 BTUs/gallon (= 25.4 MJ/L) [10].  3.3.4. Compost  Compost can be used to heat or pre‐heat water for domestic consumption.  A compost heap  generates heat  at  the  rate of 1,500 BTUs/hr per  short  ton of material  (= 1,740 J/hr/kg)  for  the  first  4 weeks  and  500  BTUs/hr  per  short  ton  (=  580  J/hr/kg)  for  the following 4 weeks [17, page 118].   The volume to mass ratio  is 2 cubic yards per short ton  (= 1.7 m3 per metric  ton).   Typical  temperatures  inside a  compost heap are 120‐130oF (= 50‐55oC) toward the bottom of the heap and 150‐180oF (= 66‐82oC) toward the top  (because  hot  air  rises),  regardless  of  the  outdoor  atmospheric  temperature  [17, page 117].  The outputs from 1 metric ton (2,205 lbs, including 50% by weight) of compost are 3.375 MBTUs,  290  kg  of  CO2  and  47  liters  of  water  vapor  over  the  course  of  a  21‐day thermophilic stabilization period.   These are equivalent to 1,530 BTUs, 0.29  lb CO2 and 0.0056 gal of water vapor, per pound of compost [18].  3.3.5. Animal manure 

Chapter 3. Energy

23

 A  composting  system  designed  for  small  farms  or  homesteads  claims  an  output  of 50,000 BTUs/hr generated  from 30  to 50 short  tons of animal manure made available every 8 weeks, the equivalent of 12 to 20 cows or horses [17, page 145].  In  composting  farmyard  manure,  bacteria  generate  4.03  kWh  per  kg  of  oxygen consumed (= 6,240 BTUS/lb O2 = 14.5 MJ/kg O2) [19].  3.3.6. Other biological matter  Thermophilic bacteria generate 4 Wh per gram of oxygen used (= 6,190 BTUs per pound of O2 = 14.4 MJ per kg of O2) [20].  3.3.7. Photovoltaic cells  There are many different types of photovoltaic  (PV) cells available on the market, and each type has its own efficiency, as shown in the graph below [21].  The 2015 efficiency of the typical crystalline silicon PV cell used  in roof‐top applications  is 12‐15%  installed [21].  Figure 1. Confirmed conversion efficiencies  for a variety of photovoltaic  technologies, from 1976 to 2015, at a reference temperature of 25oC. 

 Source: [21] 

 

Chapter 3. Energy

24

The energy output of a photovoltaic cell depends on various factors.  Considering a final 12%  conversion efficiency,  the average annual energy output of a photovoltaic  cell  is 216  kWh/m2  per  year  in  the  continental  U.S.  [22],  79  kWh/m2  in  Alaska,  and  280 kWh/m2 in the Sahara [23, page 343].  3.3.8. Wind turbines  The  table  below  provides  the wind  power  density  (Watts  per  square meter  of  area swept by  the  turbine blades) as a  function of wind speed  [24].    In wind energy,  it has become  traditional  to  ascribe  “wind  power  class”  numbers  to  various  wind  speed intervals based on height above the ground (= level of turbine nacelle).  Physics dictate that the power in the wind increases like the cube of its speed.  

Wind power class 

10m  30m  50m 

Power density (W/m2) 

Speed (m/s) 

Power density (W/m2) 

Speed (m/s) 

Power density (W/m2) 

Speed (m/s) 

1  0‐100  0‐4.4  0‐160  0‐5.1  0‐200  0‐5.6 

2  100‐150  4.4‐5.1  160‐240  5.1‐5.8  200‐300  5.6‐6.4 

3  150‐200  5.1‐5.6  240‐320  5.8‐6.5  300‐400  6.4‐7.0 

4  200‐250  5.6‐6.0  320‐400  6.5‐7.0  400‐500  7.0‐7.5 

5  250‐300  6.0‐6.4  400‐480  7.0‐7.4  500‐600  7.5‐8.0 

6  300‐400  6.4‐7.0  480‐640  7.4‐8.2  600‐800  8.0‐8.8 

7  400‐1000  7.0‐9.4  640‐1600  8.2‐11.0  800‐2000  8.8‐11.9 Source: [24]  

  3.4. Energy conversion  3.4.1. Electricity generation  A  traditional  thermal power plant  is 33.2% efficient and produces 1 kWh of electricity from 10,292 BTUs of thermal energy [25], which amounts to about 11 GWyr (giga‐watt‐year = 8.76 x 109 kWh) for every quad of fuel.  In the USA, the generation of 1 kWh of electricity necessitates 95 L of water in average, with a low of 0.038 L/kWh for electricity from natural gas to a high of about 420 L/kWh for electricity from biodiesel [26].  3.4.2. Internal combustion engine  The  internal combustion engine  (ICE), propelling most cars,  trucks and boats,  is about 30%  efficient  [27].    For  an  automobile,  after  subtraction  of  parasitic  losses  (such  as alternator, water pump, headlights, drivetrain  losses,  idling, etc.), the energy delivered 

Chapter 3. Energy

25

to the wheels to move the vehicle is only 18‐25% of the chemical energy held in the fuel, as the figure below illustrates.  

 Source: [27] 

 A 2004 study published in Science [28] calculates a tank‐to‐wheel efficiency of 12.6% for a 1,500 kg ICE car (lower than the range quoted above) and 27.2% for the hybrid‐ICE car (above the range quoted above).  When  the  internal  combustion  engine  is  used  as  an  electric  generator  (for  off‐grid applications  or  during  emergencies,  for  example),  it  consumes  10,403  BTUs  of petroleum fuel per kWh of electricity generated [25].  3.4.3. Electric motor / Alternator  In contrast to the internal combustion engine, the electric motor is far more efficient, at 87%, with  the most powerful ones exceeding 90%  [29].   When used  in  reverse as an alternator, the efficiency is about the same.  The  company Tesla  claims on  its  specs page  that  the 270/310 kW  (= 362/416 hp) AC motor  in  its 85  kWh Model‐S  automobiles  is 92% efficient  [30].   After drivetrain  and parasitic losses, this translates into 0.25 kWh per mile of driving at 50 mph (= 80 km/h) [31].  However, one needs to keep in mind that the generation of electricity upstream of 

Chapter 3. Energy

26

the car  is a very  inefficient process (see Section 3.4.1 above) and that the efficiency of an electric motor depends on its speed and torque.  3.4.4. Fuel cells  The  Proton‐exchange‐membrane  (PEM)  fuel  cell,  which  produces  electricity  from hydrogen at ambient temperatures,  is about 40‐50% efficient [28, 32].   A PEM fuel‐cell car has an estimated tank‐to‐wheel efficiency of 26.6% [28].  The table below compares the efficiencies of various fuel‐cell technologies.  

Fuel cell technology  Efficiency  With co‐generation of heat 

Alkaline  60‐70%   

Direct methanol  < 40%   

Molten carbonate  65%  > 85% 

Phosphoric acid  37‐42%  > 85% 

Proton exchange membrane  40‐50%   

Solid oxide  60‐70%  up to 85% Sources: [28, 32, 33] 

 3.4.5. Biomass to ethanol  Ethanol can be produced from a variety of organic materials (biomass).  The table below recapitulates  the  theoretical yields  for  the most  common  feedstocks.    For  conversion from volume to mass, use ethanol density of 0.789 kg/L.  

Feedstock Theoretical Ethanol Yield 

(gallons per dry ton)  (L/kg) 

Bagasse  111.5  0.465 

Corn grain  124.4  0.519 

Corn stover  113.0  0.472 

Cotton gin trash  56.8  0.237 

Forest thinnings  81.5  0.340 

Hardwood sawdust  100.8  0.421 

Mixed paper  116.2  0.485 

Rice straw  109.9  0.459 

Switchgrass  96.7  0.404 

Wood  100.2  0.418 Sources: [34] 

 Ethanol can also be produced  from algae  in a body of water exposed  to  sunlight and atmospheric  carbon  dioxide.    An  experimental  program  reported  producing  9,000 gallons of ethanol per acre per year (= 84 m3 per hectare per year) [35]. 

Chapter 3. Energy

27

 Fermentation of sugar in sweet beets yields 1,000 gallons of ethanol per acre based on a harvest of 35 tons per acre [36].  3.4.6. Oil crops to biodiesel  Biodiesel is a renewable fuel that can be produced from naturally oily plants, particularly oil palm.   Oil palm trees produce 20 metric tons of fresh fruit per hectare per year, of which the oils form 10% of the total dry biomass while the remaining 90%may serve as a source of  fiber or cellulosic material  for additional biofuel production  [37].   The  table below compares the yield from various crops, including oil palm, which has the highest yield.  

Plant Biodiesel Yield 

(L/hectare)  (gallons/acre) 

Coconut  2,160  231 

Oil palm  4,800  520 

Peanut  820  88 

Rapeseed  936  100 

Soybean  526  56 

Sunflower  760  81 Source: [37] 

  3.4.7. Efficiency factors  The  table  below  recapitulates  the  approximate  efficiency  factors  for  various  types  of energy conversion.  From   To  By means of  Efficiency  Source 

Biomass 

Electricity  Gasification + gas turbine + generator  20%  [40]

Gas  Integrated gasification  45%  [40]

Heat  Woodstove (with smoke up chimney)  65‐83%  [41]

Coal Electricity  Power plant via steam  33‐37%  [38],[43]

Heat  Home coal furnace (with vented smoke)  55%  [39]

Diesel Electricity  Stationary diesel generator   40%  [43]

Mechanical  Automotive diesel combustion engine   40‐48%  [44]

Electricity 

Heat  Electric resistance  100%  [39]

Hydrogen  Electrolysis  81%  [38]

Light1 

Incandescent bulb  5%  [39]

Fluorescent lamp  20‐25%  [39]

Light‐emitting diode (LED)  50%  [42]

Mechanical  Electric motor  80‐93%  [29]

Fossil fuel  Heat Combustion  100%  ‐‐

Combustion (with vented smoke)  65%  [39]

Chapter 3. Energy

28

Gasoline Electricity  Generator  18‐20%  [43]

Mechanical  Internal combustion engine  30%  [27]

Hydro  Electricity  Water turbine + generator  93%  [43]

Hydrogen  Electricity PEM fuel cell  40‐50%  [28],[38]

Phosphoric acid fuel cell  65%  [33]

Mechanical  Electricity  Generator / Alternator  90‐95%  [39]

Natural gas 

Mechanical  Gas turbine  50‐60%  [43]

Electricity  Gas turbine + generator  50%  [43]

Heat  Home gas furnace  85%  [39]

Nuclear  Electricity  Uranium fission + steam cycle  33%  [43]

Solar light Biomass  Photosynthesis  3‐6%  [45]

Electricity  PV cell  3‐22%  [21]

Steam Heat  Boiler  85%  [39]

Mechanical  Steam turbine  45%  [39]

Wind  Electricity  Wind turbine + generator  25‐35%  [38]1 Based on 200 lumens = 1 W of emission in the visible spectrum 

  3.5. Energy storage   3.5.1. Batteries  Three quantities best describe the capability of a battery: Its energy density (measuring how much  energy  can  be  stored  per mass  of  battery,  sometimes  also  called  specific energy), its power density (measuring how quickly the energy can be retrieved from the battery), and its round‐trip efficiency (ratio of electricity recovered to electricity stored, also  called  Coulombic  efficiency).    The  table  below  compares  these  numbers  for  a variety of commercially available batteries.  

Battery Energy density 

(Wh/kg) Power density 

(W/kg) Round‐trip efficiency 

Lead‐Acid  35  180  >80% 

Lithium‐Ion  118 ‐ 225  200 ‐ 430  >95% 

Lithium‐Ion Polymer  130 ‐ 225  260 ‐ 450  >91% 

Nickel‐Cadmium   50 ‐ 80  200  75% 

Nickel‐Metal Hydride   70 ‐ 95  200 ‐ 300  70% 

Redox Flow  10 ‐ 50  >50  85% 

Sodium‐Nickel Chloride   90 ‐ 120  155  80% 

Sodium‐Sulfur  150 ‐ 240  150 ‐ 230  80% 

Vanadium redox flow  50  110   

Zinc‐Bromine  65 ‐ 75  90 ‐ 100  88‐95% 

Zinc‐Air  294 ‐ 442  100   Source: [46 Table 1, 47 Table 37.2, 48 Table 1, 49] 

 

Chapter 3. Energy

29

For  comparison,  the  energy  density  of  gasoline  12,890 Wh/kg  [13],  then  reduced  to 3,900 Wh/kg at the shaft because of the poor 30% efficiency of the internal combustion engine  [27], and  its power density easily exceeds 1,000 W/kg  (= horsepower  rating of the engine divided by  its mass).   The  round‐trip efficiency of gasoline  is 0%  since  the engine is incapable of converting mechanical energy back into fuel energy.  The 85‐kWh Lithium‐ion battery set on board the 2012 Tesla Model S is reported having the following characteristics [50]: 140 Wh/kg energy density, 516 W/kg power density, and 75% round‐trip efficiency.  The figure below, called the Ragone Plot, displays graphically the comparison between various  types  of  energy  storage:  commercially  available  batteries,  super‐capacitors, flywheels, fuel cells, and fossil fuels, based on energy density and peak power.  Note the logarithmic scale of each axis.  

 Source: [51 Figure 38] 

 3.5.2. Hydrogen  Being  a  gas  that  can be  relatively easily  generated  and  consumed, hydrogen may be used as a form of energy storage.  Since its chemical energy content (see Section 3.3.3. above)  is 142.1 MJ/kg  (= 39.5 kWh/kg), any hydrogen  system will necessarily have an energy density lower than 39.5 kWh/kg. 

Chapter 3. Energy

30

 For most applications, hydrogen may not be  stored at ambient pressure but must be greatly  compressed,  liquefied,  or  stored  in  a  metal  hydride.    Compression  and liquefaction entail a significant energy penalty whereas storage in a metal hydride adds mass to the system.  Thus, either way, the energy density of a complete system falls far below the theoretical maximum.  The table below shows the energy density of systems as of 2006, per mass and per volume.  

Technology Energy density 

(kWh/kg)  (kWh/L) 

Compressed to 5,000 psi (34.5 MPa)  1.9  0.5 

Compressed to 10,000 psi (69 MPa)  1.6  0.8 

Liquified  1.7  1.2 

Stored in metal hydride  0.8  0.6 Source: [52] 

 For hydrogen produced by electrolysis and converted back to electricity, the round‐trip efficiency  is  the  efficiency of  electrolysis  times  that of  a  proton‐exchange membrane fuel  cell,  that  is,  0.81  x  0.45  =  36%.   By  contrast,  the  round‐trip  efficiency of  storing hydrogen in a metal hydride (Mg + H2gas ↔ MgH2) is around 74% [53] and can reach 90% for storage in metal organic frameworks (MOFs) [54].  3.5.3. Pumped hydro  Pumped hydro entails the pumping of water from a  lower to a higher reservoir during energy storage and the release of this water back to the lower reservoir through a water turbine during energy recovery.   The  technology  is mature and permits  the storage of large quantities of energy but is applicable only where land is suitable and when energy release occurs over hours or days.   Some systems have been  in existence for since the 1920s.  According to a 2013 Sandia National Laboratories report [55, page 33], systems can be sized  up  to  4,000 MW  and  operate  with  round‐trip  efficiencies  of  76%  to  85%.    A reservoir 25 m deep and 1 km in diameter situated 200 m higher than another reservoir (or natural lake) can hold enough water to generated 10,000 MWh.  3.5.4. Compressed air   Compressing  air  to  store  energy  entails  a  certain  amount  of  adiabatic  temperature increase depending on the rapidity of compression.  A subsequent cooling to return the temperature to the ambient value during the storage period causes a heat  loss, which may not be recovered during expansion.   There  is also some mechanical  inefficiency  in the compressor itself.  

Chapter 3. Energy

31

A system storing air at 4,500 psi above atmospheric pressure  (psig) can hold 22  to 49 Wh/L  [53,  page  14], which  is much  less  than  batteries, with  a  theoretical  round‐trip efficiency  ranging  from 8%  for  isentropic  (=  rapid) compression and expansion  to 72% for a three‐stage polytropic compression and three‐stage polytropic expansion [56, page 27], and up to 82% with great care [56, page 19].   3.6. Energy transport  3.6.1. Electrical transmission  Electricity  is  easily  transported  by  electrically  conductive  wires.    Depending  on  the voltage of the line, two stages are distinguished: transmission (at high voltage over long distances) and distribution (at low voltage across communities).  A percentage of loss is quoted  for  the  combination  of  transmission  and  distribution.   Values  depend  on  the quality of the infrastructure and the geographical distances in the country.  

Region  Country Transmission and distribution losses 

North America 

Canada  8.6% 

Mexico  14.3% 

United States  6.0% 

Latin America 

Argentina  16.0% 

Brazil  16.4% 

Cuba  15.4% 

Haiti  54.2% 

Latin America & Caribbean combined  14.8% 

Europe 

Belgium  4.9% 

Denmark  5.5% 

Central Europe & Baltics  7.5% 

Finland  3.7% 

Germany  3.9% 

Italy  7.4% 

Netherlands  4.4% 

Norway  8.0% 

Spain  9.0% 

United Kingdom  7.5% 

Africa 

Algeria  18.4% 

Kenya  18.0% 

Nigeria  15.3% 

Senegal  16.0% 

South Africa  8.5% 

Sub‐Saharan Africa  11.8% 

Middle East Arab World  11.9% 

Israel  4.0% 

Chapter 3. Energy

32

Saudi Arabia  7.0% 

Middle East & North Africa  12.0% 

Central Asia  Russia  10.1% 

South Asia India  18.5% 

Overall  18.1% 

East Asia 

China  5.8% 

Japan  4.6% 

East Asia & Pacific Islands  6.1% 

Oceania Australia  5.9% 

New Zealand  6.7% 

World average  8.2% Source: [57] (2013 data) 

 3.6.2. Pipelines & oil tankers  Conveying petroleum or natural gas by means of a pipeline over long distances requires pumping and thus entails an energy penalty.   Pressure drop  is caused by friction along the  inner  pipe  walls  as  well  as  in  bends,  expansions  and  contractions  because  of secondary motions.  Along natural gas pipelines, compressors that operate on a non‐stop basis are needed every  50  to  100 miles  (80  to  160  km)  to maintain  adequate  pressure.    The  average pumping station, utilizing multiple compressors  for a total of 9,984 hp  (= 7.45 MW)  in average per station, is capable of moving 461 million cubic feet of natural gas per day (= 13.1 x 106 m3/day) [58].  This amounts to 21.6 hp per million cubic feet of gas moved per day  (=  0.57  W  per  (m3  per  day)).    Assuming  that  the  average  distance  between consecutive pumping stations  is 75 miles (= 121 km), the power necessary to keep the gas moving per unit distance  is 0.29 hp per million cubic feet conveyed per day over 1 mile,  or  4.7  kW  per million m3  conveyed  per  day  over  1  km.    In  terms  of  energy expenditure per distance per mass of gas,  the number  is 1.7 MJ/km per metric  ton of gas conveyed in the pipeline [59].  The 764 km long (= miles) Iraq Crude Oil Pipeline connecting the South Rumaila oil fields to the Red Sea has 6 intermediate pumping stations each equipped with 3 turbo‐pumps driven  by  22 MW  turbines,  for  a  total maximum  pumping  power  of  396 MW  [60].  Assuming  that  this maximum power  is consumed only when  the pipeline  is utilized at full  capacity  of  1.6 million  barrels  per  day  (=  2.94 m3/s),  the  power  consumption  is estimated at 176 kW per m3/s conveyed over 1 km.  Further taking that crude oil has an energy content of 38.4 MJ/L (Section 3.3.2. above), the relative energy  loss  in pipeline transportation is 0.46% per 1,000 km (meaning that it takes 0.46 J to carry 100 J worth of crude oil over 1,000 km).  In terms of energy expenditure per distance per mass of oil, the number is 0.2 MJ/km per metric ton of oil conveyed in the pipeline [59].   

Chapter 3. Energy

33

Crude oil is also transported across the oceans by oil tankers.  Using 0.16 MJ of energy needed to transport 1 metric ton over 1 km by means of an ocean ship [61, page 142] and the fact that crude oil contains 45 MJ per kilogram (Section 3.3.2. above), it is found that the energy efficiency of ocean shipping is 0.36% per 1000 km (meaning that it takes 0.36 J to carry 100 J worth of crude oil over 1,000 km).   3.7. Energy consumption  3.7.1. Transportation  Energy for transportation is quantified as the energy needed to convey a certain number of passengers or tonnage of goods for a certain distance by a certain mode of transport.  The numbers can be  found  in Chapter 5  together with  the corresponding greenhouse gas emissions.  3.7.2. Buildings  In  the United  States,  it was  estimated  in  2014  that  the  electricity  consumption  in  a residential  home was  10,932  kWh  per  year  in  average,  ranging  from  a  low  of  6,077 kWh/yr  in  Hawai’i  (where  the  climate  is  very mild)  to  a  high  of  15,497  kWh/yr  in Louisiana  (where much electricity  is used  in  summer  for air  conditioning)  [62].    Since energy  (kWh) divided by time  (year)  is power, this amounts to: 1.25 kW/home  for the nation,  1.77  kW/home  in  Louisiana,  and  0.69  kW/home  in  Hawai’i.  Beware  of  the numbers used by some environmental organizations, in newspapers and magazines, and in advertisements, for they are often skewed!  For  large‐scale energy projects  such as  concentrated  solar  systems or wind  farms, an accurate translation of power generated  into number of homes being powered should take  into  account  the  fact  that  approximately  6%  of  the  electrical  power  is  lost  in transmission  and  distribution  [63].    This  means  that,  because  of  transmission  and distribution losses, 6% fewer homes can actually be powered.  3.7.3. Food  The relation between food and energy is two‐fold: (1) Food is a form of energy through its caloric content, and (2) significant amounts of energy are required in the production of  food,  starting  with  the  manufacturing  of  fertilizers  and  tilling  of  the  land  to processing, packaging, storing, and transportation at various stages of food production.  The following data is taken from [64] and references therein.  Accounting  for  a  26% waste  of  edible  food,  the  average  American  consumed  2,590 calories per day (= 10.84 MJ/day) in 2010.  The ratio of energy used for the production of food to the amount of energy in the food is 7.36 to 1 (10.3 quads for food production 

Chapter 3. Energy

34

compared  to 1.4 quads  in  the  food,  in  the U.S.  in 1999), which amounts  to a meager conversion efficiency of 1/7.36 = 14%.  Consumption of energy for food‐related activities accounts for nearly 15% of the U.S. energy budget.  The breakdown of energy use in the U.S. food system is as follows:  

Activity Percentage of energy 

consumption 

Agricultural production Manufacturing of fertilizers and pesticides  8.6% 

21.4% Farm activities  12.8% 

Transportation  13.6% 

Processing  16.4% 

Packaging materials  6.6% 

Food retail  3.7% 

Commercial food services  6.6% 

Household storage and preparation Refrigeration  13% 

31.7% Preparation  18.7% 

Total 100% Source: [64] 

  Sources  [1] The Engineering ToolBox – Energy <www.engineeringtoolbox.com/unit‐converter‐d_185.html#Energy>  [2] The Engineering ToolBox – Power <www.engineeringtoolbox.com/unit‐converter‐d_185.html#Power>  [3] University of Oregon – Solar Radiation Monitoring Laboratory <solardat.uoregon.edu/SolarData.html>  [4] U.S. National Renewable Energy Laboratory – Reference Solar Spectral Irradiance <rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/>  [5] NASA – Earth Observatory  <http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page4.php>  [6] International Energy Agency – World Balance, 2013 <www.iea.org/Sankey/#?c=World&s=Balance> International Energy Agency – Key World Energy Statistics, 2015 <www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld_Statistics_2015.pdf> International Energy Agency – Renewable energy continuing to increase market share, July 2016 <www.iea.org/newsroomandevents/news/2016/july/renewable‐energy‐continuing‐to‐increase‐market‐share.html>  [7] U.S. Lawrence Berkeley National Laboratory – Energy and Power <muller.lbl.gov/teaching/Physics10/PffP_textbook/PffP‐01‐energy‐2008.pdf>  [8] The Engineering Toolbox – Standard Grade Coal and Heating Values 

Chapter 3. Energy

35

<www.engineeringtoolbox.com/coal‐heating‐values‐d_1675.html>  [9] United Nations Joint Logistic Center – Cooking Fuel Options Help Guide (undated) <stoves.bioenergylists.org/files/cooking_fuel.pdf>  [10] U.S. Department of Agriculture – Forest Products Laboratory, July 2004 <www.fpl.fs.fed.us/documnts/techline/fuel‐value‐calculator.pdf>  [11] World Bank – Municipal Solid Waste Incineration (undated) <www.worldbank.org/urban/solid_wm/erm/CWG%20folder/Waste%20Incineration.pdf>  [12] U.S. Energy Information Administration – Biomass Explained – Waste‐to‐Energy (Municipal Solid Waste)  <www.eia.gov/energyexplained/?page=biomass_waste_to_energy>  [13] American Physical Society – Energy Units (and sources therein) <www.aps.org/policy/reports/popa‐reports/energy/units.cfm>  [14] The Engineering Tool Box – Energy Content in Common Energy Sources <www.engineeringtoolbox.com/energy‐content‐d_868.html> The Engineering Toolbox – Fuels Densities and Specific Volumes < http://www.engineeringtoolbox.com/fuels‐densities‐specific‐volumes‐d_166.html>  [15] U.S. Department of Energy – Alternative Fuels Data Center – Fuel Properties Comparison <www.afdc.energy.gov/fuels/fuel_comparison_chart.pdf>  [16] The Engineering Toolbox – Fuel Gases and heating Values <www.engineeringtoolbox.com/heating‐values‐fuel‐gases‐d_823.html>  [17] Brown, G., 2014: The Compost‐Powered Water Heater, The Countryman Press, Woodstock, Vermont, 162 pages.  [18] Sardinsky, R.: Greenhouse CO2 Dynamics and Composting in a Solar Heated Bioshelter, in Solar Greenhouses: Living and Growing, Proceedings of the Second Conference on Energy Conserving and Solar Heated Greenhouses, J. Hayes and D. Jaehne, eds., American Solar Energy Society, Newark, New Jersey, 22‐40, 1979.  [19] Svoboda, I. F., and M. R. Evans: Heat from Aerated Liquid Animal Wastes, in Proceedings of the First International Conference on the Composting of Solid Wastes and Slurries, 28‐30 September 1983, E. Stentiford, ed., University of Leeds, Dept. of Mechanical Engineering, Leeds, UK, 1983.  [20] Cooney, C. L., D. I. C. Wang, and R. I. Mateles: Measurement of Heat Evolution and Correlation with Oxygen Consumption During Microbial Growth, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 9, 269‐281, 1968.  [21] U.S. National Research Energy Laboratory– National Center for Photovoltaics – Best Research‐Cell Efficiencies, 2015.  <www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg>  [22] U.S. National Renewable Energy Laboratory – “PV FAQS ‐ What is the energy payback for PV?”, 2004. <www.nrel.gov/docs/fy04osti/35489.pdf>  [23] Toossi, R., 2014: Energy and the Environment – Choices & Challenges in a Changing World, 3rd ed., Global Digital Press, 569 pages.   

Chapter 3. Energy

36

[24] Manwell, J. F., J. G. McGowan, and A. L. Rogers, 2010: Wind Energy Explained: Theory, Design and Application. 2nd ed., Wiley, 704 pages.  [25] U.S. Energy Information Administration – Average Tested Heat Rates by Prime Mover and Energy Source, 2007‐2014 <www.eia.gov/electricity/annual/html/epa_08_02.html> with relative proportions of the fuels from  <www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=electricity_in_the_united_states>  [26] Jones, W. D., 2008: How Much Water Does It Take to Make Electricity? IEEE Spectrum, 1 April 2008 (corrected 12 September 2011).. <spectrum.ieee.org/energy/environment/how‐much‐water‐does‐it‐take‐to‐make‐electricity>  [27] U.S. Department of Energy – Fuel Economy Information – Where the Energy Goes: Gasoline Vehicles <www.fueleconomy.gov/feg/atv.shtml>  [28] Demirdöven, N., and J. Deutch, 2004: Hybrid Cars Now, Fuel Cell Cars Later, Science, Vol. 305, pp. 974‐976.  [29] The Engineering Toolbox – Electrical Motor Efficiency <www.engineeringtoolbox.com/electrical‐motor‐efficiency‐d_655.html>  [30] Tesla – specs page (for 92% efficiency of Model S electric motor)  [31] Tesla – Model S Efficiency and Range, by Elon Musk and J. B. Straubel, 9 May 2012. <www.tesla.com/blog/model‐s‐efficiency‐and‐range?redirect=no>  [32] HydrogenTrade.com – Hydrogen Fuel cells  <www.hydrogentrade.com/fuel‐cells/>  [33] U.S. Department of Energy – Office of Energy Efficiency & Renewable Energy – Types of Fuel Cells <energy.gov/eere/fuelcells/types‐fuel‐cells>  [34] U.S. Department of Energy – Energy Efficiency and Renewable Energy – Alternative Fuel Center – Ethanol Feedstocks  <www.afdc.energy.gov/fuels/ethanol_feedstocks.html>  [35] U.S. Department of Energy – Office of Energy Efficiency & Renewable Energy – Making Algal Biofuel Production More Efficient, Less Expensive <www.energy.gov/eere/articles/making‐algal‐biofuel‐production‐more‐efficient‐less‐expensive>  [36] Renewable Energy World – Ethanol from Energy Beets: A Viable Option? By B. Dorminey. April 2014. <www.renewableenergyworld.com/articles/print/volume‐17/issue‐2/bioenergy/ethanol‐from‐energy‐beets‐a‐viable‐option.html>  [37] United nations Environment Programme – Environment for Development – Oil palm plantations: threats and opportunities for tropical ecosystems – December 2011 <na.unep.net/geas/getuneppagewitharticleidscript.php?article_id=73>  [38] Randolph, J., and G. M. Masters, 2008: Energy for Sustainability – Technology, Planning, Policy. Island Press, 791 pages.  [39] Pennsylvania State University – Prof. Ljubisa Radovic – Lecture Notes ‐ Efficiency of Energy Conversion  <www.ems.psu.edu/~radovic/Chapter4.pdf>  

Chapter 3. Energy

37

[40] U.S. Department of Energy ‐ Industrial Technologies Division – Production of Electricity from Biomass Crops, by Ralph P. Overend (undated) <www.mtholyoke.edu/courses/tmillett/course/geog_304B/7290.pdf>  [41] U.S. Department of Energy – Home Heating Systems – Wood Pellet Heating <energy.gov/energysaver/wood‐and‐pellet‐heating>  [42] Design Recycle, Inc. – Comparison Chart LED Lights vs. Incandescent Light Bulbs vs. CFLs <www.designrecycleinc.com/led%20comp%20chart.html>  [43] Independent Energy, LLC – Energy Efficiency  <www.independentenergyllc.com/Efficiency.html>  [44] Giannelli, R. A., and E. Nam, 2004: Medium and heavy duty diesel vehicle modeling using a fuel consumption methodology, U.S. EPA National Vehicle and Fuel Emissions Laboratory, Ann Arbor, Michigan, 27 pages.  <www3.epa.gov/otaq/models/ngm/may04/crc0304c.pdf>  [45] United Nations – Food and Agriculture Organization – Renewable Biological Systems for Alternative Sustainable Energy Production – Chapter 1: Biological Energy Production, by K. Miyamoto (FAO Agricultural Services Bulletin – 128) <www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e05.htm#1.2.1 photosynthetic efficiency>  [46] Mälardalen University (Sweden) – School of Business – Society & Engineering Degree project – Vanadium Redox Flow Battery, by N. Zimmerman, July 2014, 59 pages. <www.diva‐portal.se/smash/get/diva2:772090/FULLTEXT01.pdf> See Table 1 on Page 4 and references cited in footnotes.  [47] Butler, P. C., P. A. Eidler, P. G. Grimes, S. E. Klassen and R. C. Miles, 2000: Zinc/Bromine Batteries, Sandia National Laboratories, 16 pages.  <www.sandia.gov/ess/publications/SAND2000‐0893.pdf >  [48] Duracell – Zinc‐Air Battery – Technical Bulletin   <d2ei442zrkqy2u.cloudfront.net/wp‐content/uploads/2016/03/Zinc‐Air‐Tech‐Bulletin.pdf>  [49] Green Car Congress – Zinc‐Air Hybrid Buses Get Closer to Market, 16 August 2016 <www.greencarcongress.com/2004/11/zincair_hybrid_.html>  [50] Delft University of Technology (TU Delft) – Enipedia – Tesla Model S Battery <enipedia.tudelft.nl/wiki/Tesla_Model_S_Battery>  [51] Gonheim, A. F., 2011: Needs, resources and climate change: Clean and efficient conversion technologies, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 37, pages 15‐51.  [52] Chalk, S. G., and J. F. Miller, 2006: Key challenges and recent progress in batteries, fuel cells, and hydrogen storage for clean energy systems, J. Power Sources, Vol. 159, pages 73‐80.  [53] Calculation: 75 kJ per mole of H2 required for storage in the metal hydride divided by 285.8 kJ released in combustion per mole of H2 taking into account of the condensation of water = 0.26 = 26%.  If the storage penalty is 26%, then the efficiency of the storage process is 74%.  The number 75 kJ per mole of H2 is given on page 992 of Zeng, K., T. Klassen, W. Oelerich and R. Bormann, 1999: Critical assessment and thermodynamic modeling of the Mg‐H system, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 24, pages 989‐1004.  [54] Calculation: 30 kJ per mole of H2 required for storage in the metal organic framework divided by 285.8 kJ released in combustion per mole of H2 taking into account of the condensation of water = 0.10 = 

Chapter 3. Energy

38

10%.  If the storage penalty is 10%, then the efficiency of the storage process is 90%.  The number 30 kJ per mole of H2 is given on page 16 of Prabhukhot, P. R., M. M. Wagh and A. C. Gangal, 2016: A review on solid state hydrogen storage material, Advances in Energy and Power, Vol. 4(2), pages 11‐22.  [55] Akhil, A. A. and multiple other authors, 2013: DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA, 164 pages + appendices. <www.sandia.gov/ess/publications/SAND2013‐5131.pdf>  [56] Keeney, J. W., 2013: Investigation of Compressed Air Energy Storage Efficiency, M.S. Thesis in Mechanical Engineering, California Polytechnic State University, San Luis Obispo CA, 272 pages.  <digitalcommons.calpoly.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2242&context=theses>   [57] The World Bank – World DataBank – World Development Indicators – Electric power transmission and distribution losses (% of output) <databank.worldbank.org/data//reports.aspx?source=2&country=&series=EG.ELC.LOSS.ZS&period=#>   [58] U.S. Department of Energy – Energy Information Administration – Office of Oil and Gas – Natural Gas Compressor Stations on the Interstate Pipeline Network: Developments since 1996, November 2007. <www.eia.gov/pub/oil_gas/natural_gas/analysis_publications/ngcompressor/ngcompressor.pdf>  [59] Weber, C. L., and H. S. Matthews, 2008: Food‐Miles and the Relative Climate Impacts of Food Choices in the United States, Environmental Science & Technology, Vol. 42, pages 3508‐3513. See Table 1 based on information originating from: Davis, S. C., and S. W. Diegel, 2007: Transportation Energy Data Book: Edition 26; ORNL‐6978; Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee. An updated version of this document exists: Davis, S. C., S. W. Diegel and R. G. Boundy, 2015: Transportation Energy Data Book: Edition 34; ORNL‐6991; Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee.  [60] SPIECAPAG Entrepose – Iraq Crude Oil Pipeline Trans Saudi Arabia <www.spiecapag.com/?page=202>  [61] Ashby, M. F., 2013: Materials and the Environment, Butterworth‐Heinemann, 2nd ed., 616 pages.  [62] U.S. Energy Information Administration – How much electricity does an American home use? <www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=97&t=3>  [63] U.S. Energy Information Administration – How much electricity is lost in transmission and distribution in the United States?  <www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=105&t=3>  [64] University of Michigan – Center for Sustainable Systems – U.S. Food System Factsheet, Publication No. CSS01‐06, October 2015, and references therein.   <css.snre.umich.edu/css_doc/CSS01‐06.pdf>